[发明专利]扫描感应加热

说明书

技术领域

本发明涉及通过用感应线圈扫描工件而感应加热细长工件。

背景技术

细长工件，如驱动轴，需要对工件上的所选部件进行热处理。例如，在驱动轴的一端提供的第一部件，如小齿轮，以及在驱动轴的另一端提供的第二部件，如通用联轴器。齿轮和联轴器属于不同的物理结构，且需要不同的热处理模式冶金硬化这些元件。此外，被热处理的部件在热处理之后需要回火，以缓解在部件的材料中的冶金应力。

一种热处理工件和工件上的部件的方法是通过电感应扫描(或累进)的热处理。虽然在其他方案中工件可以是静止的且一个或多个扫描电感(线圈)沿工件的长度方向移动，但是在该方法中工件通常移动穿过一个或多个扫描电感。交流电源施加在扫描电感上以在电感周围产生磁场。磁场与工件磁耦合以感应加热工件。随着工件穿过电感，提供给扫描电感的交流电源可以变化。例如，美国专利3,743,808提出了通过对瞬时功率及瞬时速度与已知的能量分配图进行比较，控制扫描电感的感应功率和/或扫描速度。工件沿电感移动的速度(扫描速度)可以用于控制与磁场耦合的工件横截面的加热温度。

工件的感应加热穿透深度(感应电流穿透深度，δ)可以从下面公式计算：

δ=503ρμF]]>

其中δ的单位是米；ρ是工件的电阻率，单位是欧姆米；μ是工件的相对磁导率；及F是感应电源供电频率，单位是赫兹。因此穿透深度反比于所施加电流的频率的平方根。如果工件具有两个部件，第一部件需要加热到较浅的穿透深度(例如2.5毫米)，而第二部件需要加热到较深的穿透深度(例如4.5毫米)，传统的方法是使用具有固定输出频率的逆变器，例如10,000赫兹，实现较浅的穿透深度。从上式可以得出，用于工件第二部件的较深穿透深度的逆变器输出频率应当低于10,000赫兹，但是由于频率是固定的，第二部件的感应加热扫描必须减慢，从而通过热传导到第二部件实现较深的热穿透。此外，由于扫描速度较慢，逆变器对感应线圈的输出功率必须降低，以避免第二部件表面过热。而且被热处理的部件需要回火，以降低部件中的应力。通常，先在在第一遍扫描中用低功率和固定的高频率热处理部件，然后在第二遍扫描中用固定的低频率加热以对部件进行回火。

本发明的目的是变化逆变器的输出频率，同时通过脉宽调制调整逆变器的输出功率等级，按照要求在对工件的感应扫描中以不同的穿透深度感应热处理和/或回火工件的各个部件。

发明内容

一方面，本发明是根据穿过扫描线圈移动的工件横截面的加热要求，为扫描感应线圈提供具有可变频率和占空比的交流电的装置和方法。位置检测装置，如伺服电机，可以用于提供处理器的输入，处理器比较输入的工件瞬时位置与存储在工件位置表中的值，每一个工件位置值可以与频率、功率等级和持续时间相关联，持续时间对应于在该位置要求施加的热能。在本发明的实施例中，处理器使用向逆变器的开关门控电路输出脉宽调制命令的算法，从而逆变器的电压脉宽减小从而导致逆变器输出的功率降低，以抵消在较低频率逆变器输出功率的增加。反之，逆变器的电压脉宽增大从而导致逆变器输出的功率升高，以抵消在较高频率逆变器输出功率的减少。

本发明的其他方面在该说明书和所附权利要求书中阐明。

附图说明

结合附图阅读，可以更好地理解上述的发明内容以及以下的具体实施方式。为了说明本发明，在附图中表示了本发明的优选实施例的形式，但是本发明不限于在下列附图中公开的具体方案和装置：

图1是本发明扫描感应加热装置的实施例的简化原理图；

图2是与本发明扫描感应加热装置共同使用的电源和负载电路的实施例的简化原理图；

图3(a)和图3(b)说明了应用脉宽调制使逆变器的输出从全功率变化到半功率；

图4(a)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载电流幅值；

图4(b)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载功率幅值；

图4(c)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载电阻；

图4(d)说明了无脉宽调制时随逆变器的输出频率变化而变化的负载电路品质因数Q；